II PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM UM REATOR UASB TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO E LODO DE DESCARTE DE BIOFILTROS AERADOS SUBMERSOS

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1 II PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM UM REATOR UASB TRATANDO ESGOTO SANITÁRIO E LODO DE DESCARTE DE BIOFILTROS AERADOS SUBMERSOS Fernanda Aparecida Veronez (1) Engenheira Civil e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Analista Ambiental da Secretaria para Assuntos de Meio Ambiente do Estado do Espírito Santo (SEAMA). Ricardo Franci Gonçalves Engenheiro Civil e Sanitarista pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UERJ) Pós-Graduado em Eng a de Saúde Pública - (ENSP/RJ) DEA - Ciências do Meio Ambiente - Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas - INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA- UFES. Endereço (1) : Rua Afonso Claudio, 76/303 Praia do Canto - Vitória - ES - CEP: Brasil - Tel: (27) fveronez@terra.com.br RESUMO Esta pesquisa apresenta resultados da produção de biogás em um sistema formado por um reator UASB seguido de quatro biofiltros aerados submersos em paralelo com diferentes leitos filtrantes. Os trabalhos, que tiveram duração de 1 ano, foram desenvolvidos na estação experimental de tratamento de esgoto da Universidade Federal do Espírito Santo, projetada para uma população de 1000 habitantes. O esgoto bruto, proveniente do bairro de Jardim da Penha, predominantemente residencial, de classe-média, situado próximo ao campus universitário, apresentou características médias de 152mg/l(SST), 409mgO 2 /l(dqo) e 197mgO 2 /l(dqo filtrada ). O reator UASB se mostrou eficiente no tratamento de esgoto sanitário, quando submetido a um TDH médio de 7horas, produzindo um efluente com características médias de 52mg/l(SST), 161mgO 2 /l(dqo) e 95mgO 2 /l(dqo filtrada ). O efluente tratado pela associação UASB + biofiltros apresentou concentrações médias de 28mg/l(SST), 82mgO 2 /l(dqo) e 54mgO 2 /l(dqo filtrada ) para o biofiltro 1, 26mg/l(SST), 88mgO 2 /l(dqo) e 57mgO 2 /l(dqo filtrada ) para o biofiltro 2, 26mg/l(SST), 85mgO 2 /l(dqo) e 59mgO 2 /l(dqo filtrada ) para o biofiltro 3 e de 21mg/l(SST), 64mgO 2 /l(dqo) e 47mgO 2 /l(dqo filtrada ) para o biofiltro 4. As eficiências médias globais correspondentes foram de 82%(SST), 80%(DQO) e 73%(DQO filtrada ) para UASB + biofiltro1, 83%(SST), 78%(DQO) e 71%(DQO filtrada ) para UASB + biofiltro2, 83%(SST), 79%(DQO) e 70%(DQO filtrada ) para UASB + biofiltro3 e de 86%(SST), 84%(DQO) e 76%(DQO filtrada ) para UASB + biofiltro3+ biofiltro 4. Os resultados estatísticos do monitoramento do biogás apontam uma taxa de 211,6mlCH 4 coletado/gdqoremovida. Este valor representa 61% do valor teórico de 350 mlch 4 /gdqo removida (em condições normais de temperatura e pressão), equivalente a uma perda de 39%. A análise de regressão dos resultados propõe um modelo para representar a relação entre o biogás capturado e a DQO removida no reator anaeróbio (Biogás em litros por hora e DQO em gramas por hora): Biogas = e[ 0,823 ln( DQOremovida)]. Os resultados obtidos também indicam que o reator UASB além de possibilitar uma redução da matéria orgânica afluente aos biofiltros, preservando suas características básicas de eficiência e estabilidade no tratamento de esgoto, teve condições de receber o lodo aeróbio de descarte sem reflexo negativo no tratamento. PALAVRAS-CHAVE: Biogás, Reator UASB, Biofiltro Aerado, Lodo, Esgoto Sanitário.

2 INTRODUÇÃO A opção de usar reatores anaeróbios como etapa primária do tratamento aeróbio vem sendo motivo de pesquisas no sentido de minimizar a produção de lodo gerado pela estação mediante a recirculação de lodo aeróbio para o reator anaeróbio. (van Haandel & Lettinga, 1994; Chernicharo, 1997; Gonçalves et al. 1998). Outro aspecto de interesse se deve à produção de biogás, que pode ser aproveitado na própria estação de tratamento onde é gerado, com uso na secagem e higienização do lodo, ou como suprimento energético para a aeração do sistema aeróbio (van Haandel & Lettinga, 1994; van Haandel & Marais, 1999; Gonçalves & Luduvice, 2000). Segundo Coura & van Haandel (1999), o sistema anaeróbio-aeróbio é capaz de gerar energia em quantidade mais que suficiente para atender à demanda para a aeração do sistema, ao contrário do sistema convencional (Lodos ativados), onde o potencial de produção de energia é insignificante. Esta pesquisa dá continuidade às pesquisas iniciadas em 1993, na Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), referentes ao desenvolvimento de tecnologias de tratamento de esgoto doméstico baseada na associação de reatores UASB e Biofiltros aerados submersos. Nas etapas já concluídas, foi comprovada a eficiência desta associação na produção de efluentes secundários assegurando um padrão de lançamento de SST<30mg/l, DQO<90mg/l e DBO<30mg/l mesmo sob condições dinâmicas de cargas aplicadas. Este trabalho teve como objetivo avaliar a produção de biogás em uma estação de tratamento de esgoto doméstico projetada para 1000 habitantes baseada na associação de reatores UASB e Biofiltros aerados submersos com retorno de lodo aeróbio para o reator UASB. MATERIAIS E MÉTODOS O objeto desta pesquisa foi a Estação de Tratamento de Esgoto da Universidade Federal do Espírito Santo (ETE-UFES), localizada no Campus Universitário de Goiabeiras, Vitória - ES. A ETE-UFES é composta por uma estação elevatória (6,5m 3 ), um reator UASB (26,5m 3 ), 4 biofiltros aerados submersos (12m 3 ) e um leito de secagem com duas células (10m 3 ). Os biofiltros se diferenciaram pelas características de seus meios filtrantes (granulometria, tipo de material e altura do leito filtrante e cargas aplicadas) (Tabela 1). O esgoto bruto é recalcado através de uma bomba submersível localizada na elevatória da Companhia Espírito Santense de Saneamento localizada no bairro Jardim da Penha. O esgoto armazenado na elevatória da ETE- UFES é bombeado para o reator UASB e depois segue para os biofiltros. Tabela 1 - Características dos meios filtrantes dos Biofiltros Biofiltro BF1 BF2 BF3 BF terciário Descrição do leito 80cm de brita 0, 80cm de brita 2 e 40cm de brita 4, pedregulho. 140cm de brita 0, 30cm de brita 2 e 30cm de brita 4, pedregulho. 80cm de areia média, 60cm de brita 0, 30cm de brita 2 e 30cm de brita 4. 70cm de areia média, 30cm de areião, 10cm de brita 0, 10cm de brita 2 e 10cm de brita 4. Superfície específica (m 2 /m 3 ) Carga aplicada (gdqo/m 2. d) ,5 Durante o período desta pesquisa, os biofiltros foram lavados três vezes por semana. O procedimento de lavagem consistiu em aerações intensas de ar durante 3 minutos, seguidas de descarte de fundo para liberação do lodo aeróbio que foi descartado para a elevatória, onde foi misturado com o esgoto bruto e novamente bombeado para o reator UASB.

3 Monitoramento Fase líquida - O monitoramento do sistema foi realizado por amostras simples e compostas. Amostras simples: em período de 24 horas (1 amostra / hora) totalizando 24 amostras em um dia. Amostras compostas: por 24 alíquotas (1 alíquota / hora). Fase gasosa A leitura do volume de biogás produzido no reator UASB foi realizada através de um medidor de vazão de gás instalado na tubulação de coleta de biogás (1 leitura a cada minuto). A leitura de vazão de biogás foi realizada concomitantemente com a leitura dos dados de vazão de esgoto afluente ao reator UASB (Figura 1). Figura 1 Medidor de vazão de biogás Os dados coletados foram armazenados em uma placa de aquisição de dados que emite como saída um arquivo do tipo texto que era convertido para arquivo excel. A Figura 2 apresenta a tela de saída dos dados de vazões coletados, já convertidos para arquivo do tipo excel. Figura 2 Tela de saída dos dados de vazões de esgoto e biogás

4 Condições Operacionais Tendo como referência o reator UASB, as condições operacionais que caracterizaram o período de experimentos encontram resumidas na tabela 2. Tabela 2 - Condições operacionais impostas ao reator UASB TDH (h) 7 Vazão de entrada (l/s) 1,0 Caga aplicada (Kg/m3.d) Carga 1 Carga 2 Carga 3 SST 0,42 0,62 1,0 DQO 1,14 1,65 2,20 DQO filtrada 0,42 0,67 1,01 Metodologia de Análise das Amostras Laboratoriais As técnicas utilizadas obedeceram aos procedimentos estabelecidos pelo Standard Methods for the Examination of water and wastewater 19 o edição. Análise Estatística A análise estatística dos resultados foi realizada utilizando o pacote estatístico MINITAB versão 13,0. A Comparação entre as médias amostrais de SST, DQO e DQO filtrada foi realizada através do teste de Mann-Whitney (Triola, 1999). A correlação entre a vazão de biogás produzida e a DQO removida no reator foi realizada através de análise de regressão, buscando um modelo representativo, relativamente simples, que correlacionasse estes parâmetros. O critério de escolha do modelo para a regressão se baseou na eleição de uma equação que se ajustasse bem aos resultados (R2) assegurando a normalidade dos resíduos. RESULTADOS Os resultados do monitoramento composto do sistema em termos SST são apresentados na tabela 3. Tabela 3 - Desempenho do sistema UASB + Biofiltros Parâmetro Bruto Cx areia UASB BF1 BF2 BF3 BF terc SST (mg/l). DQO (mg/l) DQO Filtrada (mg/l) n Média Desvio Máximo Mínimo n Média Desvio Máximo Mínimo n Média Desvio Máximo Mínimo

5 As eficiências médias diárias de remoção de SST ficaram em torno de 66% para o reator UASB, 46% para o BF1, 50% para os BFs 2 e 3 e 60% para o BF3+BF terciário. As eficiências globais do sistema foram de 82% para o BF1, 83% para os BFs 2 e 3 e 86% para o BF terciário. Os resultados de DQO reafirmam as eficiências médias diárias de remoção de DQO em torno de 60% para o reator UASB, 49% para o BF1, 45% para o BF2, 47% para o BF3 e 60% para o BF3+BF terciário. As eficiências globais do sistema foram de 80% para o BF 1, 78% para o BF2, 79% para o BF3 e 84% para o BF terciário. O monitoramento em termos de DQO filtrada apresentou eficiências médias diárias de remoção de DQO em torno de 48% para o reator UASB, 43% para o BF1, 40% para o BF2, 38% para o BF3 e 51% para o BF3+BF terciário. As eficiências globais do sistema foram de 73% para o BF1, 71% para o BF2, 70% para o BF3 e 76% para o BF terciário. Os resultados obtidos no monitoramento do sistema indicam que o reator UASB, operando sob recirculação frequente do lodo aeróbio para o seu interior, preserva suas características básicas de eficiência e estabilidade no tratamento de esgoto sanitário mantendo um efluente anaeróbio com características médias de 52mg/l(SST), 161mgO 2 /l(dqo) e 95mgO 2 /l(dqo filtrada ). Dessa forma, constata-se claramente as vantagens da utilização do reator UASB como pré-tratamento, que reduz sensivelmente as cargas a serem aplicadas ao sistema aeróbio. Produção de Biogás A produção de biogás foi avaliada mediante regressão dos resultados obtidos de 246 observações de volume de biogás (litros/hora) e DQO removida (gramas/hora) com o objetivo de poder prever o volume de biogás que pode ser coletado mediante conhecimento da DQO removida. Devido a não linearidade dos dados coletados buscou-se um modelo representativo, relativamente simples, que correlacionasse estes parâmetros. O critério de escolha do modelo para a regressão se baseou na eleição de uma equação que se ajustasse bem aos resultados (R2) assegurando a normalidade dos resíduos. O modelo proposto correlaciona o volume de biogás coletado (em litros/hora) e a DQO removida (em gramas/hora) como a seguir: ( DQO ) ε ln Qbiogás = β ln rem + Equação 1 Onde: Q biogás = Volume de biogás produzido (em litros por hora); β = Coeficiente beta significativo; DQOrem = DQO removida (em gramas por hora); ε = Erro. Definido o modelo e aplicando ex em ambos os lados da equação, tem-se o seguinte resultado: Q biogás = e [ β ( DQOrem) +ε ] ln Equação 2

6 Onde, Coeficiente Beta significativo = 0,823 (significativo a 1%, segundo resultado do teste T). Dessa forma, pode-se expressar o modelo com equação ajustada: Q biogás = e[ 0,823 ln( DQOrem)] Equação 3 Como resultado da análise de regressão, os indicadores de ajuste do modelo apresentaram: R 2 = 0,993 e os resíduos obedeceram aos pressupostos de um modelo de regressão linear. 40 Histograma dos resíduos Variável dependente: ln Biogás 30 Frequência Resíduos padronizados Figura 5 - Histograma dos resíduos do modelo ajustado De forma a ilustrar o ajuste do modelo proposto, os dados experimentais (medidos) foram plotados juntamente com os respectivos valores previstos (calculados) pelo modelo com relação à DQO removida no período (Figura 6). A figura mostra um bom ajuste para a equação proposta que desta forma pode prever dentro das condições estudadas, com uma boa aproximação, o volume de biogás produzido sendo conhecida a remoção de DQO em um determinado período.

7 Biogás medido Biogás calculado Biogás medido (média móvel 5) Biogás calculado (média móvel 5) Biogas (litros/hora) média medido= 279litros/h média calculado= 281litros/h Tempo (horas) Figura 6 - Comparação entre os valores previstos no modelo e a série histórica avaliada O balanço de massa em termos de DQO indica que, em média, de cada 34,7Kg de DQO que entram no reator UASB por dia, 13,9 saíram no efluente anaeróbio (correspondendo em uma remoção de 20,8Kg de DQO por dia). Considerando a DQO removida por dia no reator anaeróbio (20,8 Kg/d equivalente a 867g/h), podemos aplicar a Equação 3 e obter o volume de biogás capturado (em litros por hora), como a seguir: Biogas = e [ 0,823 ln( 867) ] Como resultado, temos: Biogas = 262 litros de biogás /hora, o que equivale a 6288 litros de biogás capturado por dia. A porcentagem de metano no biogás coletado foi, em média de 70%. Dessa forma temos um volume equivalente a 4402 litros de metano capturado por dia, que equivale a 211,6mlCH 4 /gdqo removida. Este valor representa 61% do valor teórico de 350 mlch4/gdqo removida (em condições normais de temperatura e pressão), equivalente a uma perda de 39%. Van Haandel & Lettinga (1994), observaram perdas em torno de 50% da produção teórica. Valores em torno de 170ml/gDQO removida, equivalente a uma perda de 51% em relação ao valor teórico de 350ml/gDQO removida, foram reportados por Gnanadipathy & Polprasert (1993). Valores similares foram obtidos por Chacon (1994), que citou uma produção de 190ml/gDQO removida. Esta perda é justificada pela dificuldade de coleta do biogás bem como a fração de metano que sai dissolvida no efluente, contribuindo na DQO do efluente. Kennedy et al. (1997) apresentaram resultados do monitoramento da DQO CH4 dissolvida no efluente variando em torno de 0,44 a 9,58% em relação a DQO CH4 coletada.

8 CONCLUSÕES O efluente tratado pelo conjunto apresentou concentrações menores que 28mg/l(SST), 88mgO 2 /l(dqo) e 59mgO 2 /l(dqofiltrada) para os biofiltros secundários e de 21mg/l(SST), 64mgO 2 /l(dqo) e 47mgO 2 /l(dqofiltrada) para o biofiltro terciário. Dessa forma, pode se afirmar que o emprego da associação de reatores UASB + Biofiltros aerados submersos para tratamento de esgoto sanitário é uma prática viável e muito interessante dos pontos vista econômico e operacional. A análise estatística dos resultados do monitoramento do biogás apontam uma taxa de 211,6mlCH 4 coletado/gdqoremovida. Este valor representa 61% do valor teórico de 350 mlch 4 /gdqo removida (em condições normais de temperatura e pressão), equivalente a uma perda de 39%. A análise de regressão dos resultados propõe um modelo para representar a relação entre o biogás capturado e a DQO removida no reator anaeróbio (Biogás em litros por hora e DQO em gramas por hora): Biogas = e[ 0,823 ln( DQOremovida) ]. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CHACON, O. R. Aplicacion de tecnologias de tratamiento anaeróbio para la depuración de águas residuales experiências em Colombia. III Taller y Seminário Latinoamericano Tratamiento Anaeróbio de Aguas Residuales. Montevideo, Uruguai de Octubre, COURA, Mônica de Amorim; VAN HAANDEL, Adrianus, C. Viabilidade técnica e econômica do digestor anaeróbio de fluxo ascendente (UASB) no sistema anaeróbio/aeróbio. Anais do 200Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental (ABES) - Arquivo de referência: I - 169, Rio de Janeiro, KENNEDY, K. J.; HAMODA, M. F.; DROSTE, R.L. Kinetics of Downflow Anaerobic Attached Growth Reactors. Journal WPCF, Vol. 59, No 4, abril de GNANADIPATHY, A.; POLPRASERT, C. Treatment of a Domestic Wastewater with UASB Reactors. Water Science and Technology. Vol.27, No1, p , GONÇALVES, Ricardo Franci; LUDUVICE, Maurício: Alternativas de minimização da produção e desaguamento de lodos de esgoto. In Impacto ambiental do uso agrícola do lodo de esgoto. Jaguariúna, SP: EMBRAPA Meio Ambiente, Cap. 2, p VAN HAANDEL, Adrianus C.; LETTINGA, Gatze. Tratamento Anaeróbio de Esgotos - Um Manual para Regiões de Clima Quente. Campina Grande, VAN HAANDEL, Adrianus C.; MARAIS, Gerrit. O Comportamento do Sistema de Lodo Ativado - Teoria e Aplicações para Projetos e Operação. EPGRAF, Campina Grande, 1999.